DE102015201460B4 - Position determination of a medical instrument - Google Patents
Position determination of a medical instrument Download PDFInfo
- Publication number
- DE102015201460B4 DE102015201460B4 DE102015201460.6A DE102015201460A DE102015201460B4 DE 102015201460 B4 DE102015201460 B4 DE 102015201460B4 DE 102015201460 A DE102015201460 A DE 102015201460A DE 102015201460 B4 DE102015201460 B4 DE 102015201460B4
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- sensor
- light
- medical instrument
- angle
- incidence
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 238000002357 laparoscopic surgery Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
- G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
- G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
- G01B21/042—Calibration or calibration artifacts
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/06—Devices, other than using radiation, for detecting or locating foreign bodies ; determining position of probes within or on the body of the patient
- A61B5/061—Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body
- A61B5/064—Determining position of a probe within the body employing means separate from the probe, e.g. sensing internal probe position employing impedance electrodes on the surface of the body using markers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
- G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
Abstract
Verfahren zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instruments (4), wobei am medizinischen Instrument (4) zumindest ein lichtempfindlicher Sensor (1) mit zumindest zwei Sensorelementen (2) angeordnet ist, auf dem Licht (L) in einem Einfallswinkel (α, α1, α2, α3, α4) einfällt, welches von zumindest einer an einer bekannten Position angeordneten Lichtquelle (5) emittiert wird und eine vom Einfallswinkel (α, α1, α2, α3, α4) abhängige Messgröße zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments (4) anhand von auf die Sensorelemente (2) einwirkenden Strahlungsintensitäten erfasst wird, wobei die den Sensorelementen (2) zugeordneten Sensorflächen (3) zueinander in einem vorgegebenen Winkel angeordnet sind. Method for determining the position of a medical instrument (4), at least one light-sensitive sensor (1) with at least two sensor elements (2) being arranged on the medical instrument (4), on which light (L) is incident at an angle of incidence (α, α 1 , α 2 , α 3 , α 4 ), which is emitted by at least one light source (5) arranged at a known position, and a measured variable dependent on the angle of incidence (α, α 1 , α 2 , α 3 , α 4 ) for determining the position and/or the orientation of the medical instrument (4) is detected using radiation intensities acting on the sensor elements (2), the sensor surfaces (3) assigned to the sensor elements (2) being arranged at a predetermined angle to one another.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instruments.The invention relates to a method and a device for determining the position of a medical instrument.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen zur Positionsbestimmung von medizinischen Instrumenten, insbesondere im Zusammenhang mit der aktiven oder passiven chirurgischen Navigation, bekannt. Beispielsweise werden zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments bildgebende Verfahren eingesetzt, die eine Lokalisierung in Echtzeit und damit eine aktive Führung des medizinischen Instruments ermöglichen. Bei anderen medizinischen Anwendungen ist das medizinische Instrument mechanisch an einen beweglichen Trägerarm gekoppelt. Die Position des medizinischen Instruments kann in diesen Fällen anhand der Erfassung der Auslenkung bzw. der Lage des Trägerarms erfolgen.Various methods and devices for determining the position of medical instruments, in particular in connection with active or passive surgical navigation, are known from the prior art. For example, to determine the position and/or the orientation of the medical instrument, imaging methods are used that enable real-time localization and thus active guidance of the medical instrument. In other medical applications, the medical instrument is mechanically coupled to a moveable support arm. In these cases, the position of the medical instrument can be determined by detecting the deflection or the position of the carrier arm.
Aus der Offenlegungsschrift
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instrumentes anzugeben, welches sich besonders einfach implementieren lässt. Proceeding from this prior art, it is the object of the present invention to specify an improved method for determining the position of a medical instrument, which can be implemented particularly easily.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den weiteren Merkmalen des Patentanspruchs 1.With regard to the method, the object is achieved by a method of the type mentioned at the beginning with the further features of
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous configurations of the invention are the subject matter of the dependent claims.
Bei einem Verfahren zur Positionsbestimmung eines medizinischen Instruments ist am medizinischen Instrument zumindest ein lichtempfindlicher Sensor mit zumindest zwei Sensorelementen angeordnet, auf dem Licht in einem Einfallswinkel einfällt, welches von zumindest einer an einer bekannten Position angeordneten Lichtquelle emittiert wird. Zur Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments wird eine vom Einfallswinkel abhängige Messgröße anhand von auf die Sensorelemente einwirkenden Strahlungsintensitäten erfasst, wobei die den Sensorelementen zugeordneten Sensorflächen zueinander in einem vorgegebenen Winkel angeordnet sind.In a method for determining the position of a medical instrument, at least one light-sensitive sensor with at least two sensor elements is arranged on the medical instrument, onto which light falls at an angle of incidence, which is emitted by at least one light source arranged at a known position. To determine the position and/or the orientation of the medical instrument, a measured variable dependent on the angle of incidence is recorded using radiation intensities acting on the sensor elements, with the sensor surfaces assigned to the sensor elements being arranged at a predetermined angle to one another.
Die Erfindung macht sich die technologische Weiterentwicklung im Bereich der Sensorik zunutze, um ein zuverlässiges System zur Positionsbestimmung anzugeben, das eine präzise Bestimmung der Lage bzw. der Orientierung des medizinischen Instruments beispielsweise im Rahmen einer chirurgischen Navigation ermöglicht. Sensoren mit einer hinreichend guten Auflösung zur präzisen Erfassung des Einfallswinkels weisen kompakte Bauformen auf, deren Größen beispielsweise im Bereich von etwa 1 mm2 liegen. Die Handhabung bzw. Führung des medizinischen Instruments wird daher von dem dort angeordneten zumindest einen Sensor allenfalls unwesentlich beeinträchtigt. Erfindungsgemäß wird die Lage und/oder die Orientierung des medizinischen Instruments zumindest teilweise anhand des ermittelten Einfallswinkels bezüglich der zumindest einen Lichtquelle bestimmt. Die Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann daher mit besonders einfachen Mitteln erfolgen.The invention makes use of technological developments in the field of sensor technology in order to specify a reliable system for position determination, which enables precise determination of the position or orientation of the medical instrument, for example as part of surgical navigation. Sensors with a sufficiently good resolution for precise detection of the angle of incidence have compact designs whose sizes are in the range of approximately 1 mm 2 , for example. The handling or guidance of the medical instrument is therefore at most insignificantly impaired by the at least one sensor arranged there. According to the invention, the position and/or the orientation of the medical instrument is determined at least partially based on the determined angle of incidence with respect to the at least one light source. The method according to the invention can therefore be implemented using particularly simple means.
Als medizinische Instrumente kommen hier insbesondere Pointer in Betracht, die auf medizinische Strukturen zeigen. Andere Ausführungsbeispiele umfassen Instrumente für die laparoskopische Chirurgie, insbesondere Laparoskope, Hochfrequenz- und Kryoablationsgeräte.In particular, pointers that point to medical structures come into consideration as medical instruments. Other exemplary embodiments include instruments for laparoscopic surgery, in particular laparoscopes, radiofrequency and cryoablation devices.
Zur hinreichenden Bestimmung der Orientierung und/oder der Position können abhängig von der konkreten Anwendung mehrere Lichtquellen, die an verschiedenen vorgegebenen und bekannten Positionen im Raum platziert sind, und mehrere Sensoren am medizinischen Instrument vorgesehen sein. In möglichen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Bewegung des medizinischen Instrumentes auf wenige Freiheitsgrade, beispielsweise mittels mechanischer Halteelemente oder Trägerarme, eingeschränkt, so dass lediglich eine reduzierte Anzahl von Lichtquellen und/oder Sensoren notwendig ist, um eine vollständige Lagebestimmung zu ermöglichen. Bei einem beispielsweise auf eine lineare Translation eingeschränkten medizinischen Instrument ist es ausreichend, eine Lichtquelle und ein Sensor vorzusehen, da die Position des medizinischen Instruments in diesem Fall schon durch die Erfassung des Einfallswinkels relativ zu der bekannten Position der Lichtquelle vollständig bestimmt ist. Bei einer im Wesentlichen freien Bewegung des medizinischen Instruments im dreidimensionalen Raum ist zumindest eine teilweise Positionsbestimmung durch die Erfassung des im Einfallswinkel auf den zumindest einen Sensor auftreffenden und von der zumindest einen Lichtquelle emittierten Lichts möglich.In order to adequately determine the orientation and/or the position, depending on the specific application, a number of light sources placed at different predetermined and known positions in space and a number of sensors can be provided on the medical instrument. In possible exemplary embodiments of the invention, the movement of the medical instrument is limited to a few degrees of freedom, for example by means of mechanical holding elements or carrier arms, so that only a reduced number of light sources and/or sensors is required to enable complete position determination. In the case of a medical instrument restricted to linear translation, for example, it is sufficient to provide a light source and a sensor, since in this case the position of the medical instrument is already completely determined by detecting the angle of incidence relative to the known position of the light source. In the case of a substantially free movement of the medical instrument in three-dimensional space, at least a partial position determination is possible by detecting the incident angle on the at least one sensor and from the at least one light source emitted light possible.
Vorzugsweise umfasst die Messgröße eine Stromstärke eines zumindest teilweise durch den photoelektrischen Effekt hervorgerufen elektrischen Stroms oder einen durch den photoelektrischen Effekt modifizierten elektrischen Widerstand. Insbesondere kann der Sensor zur Erfassung derartiger Messgrößen in Durchflussrichtung oder in Sperrrichtung geschaltete Photodioden oder Photowiderstände aufweisen. In einem anderen Ausführungsbeispiel kommen CCD-Sensoren und/oder photonenzählende Detektoren zum Einsatz, die dazu ausgebildet sind, eine von der einstrahlenden Lichtintensität abhängige Messgröße zu liefern.The measured variable preferably includes a current intensity of an electrical current that is at least partially caused by the photoelectric effect or an electrical resistance modified by the photoelectric effect. In particular, the sensor can have photodiodes or photoresistors switched in the flow direction or in the blocking direction for detecting such measured variables. In another exemplary embodiment, CCD sensors and/or photon-counting detectors are used, which are designed to supply a measured variable that is dependent on the incident light intensity.
In einem möglichen Ausführungsbeispiel der Erfindung emittiert die zumindest eine Lichtquelle Licht mit zumindest einer Frequenz aus dem infraroten Frequenzbereich. Entsprechend ist der zur Erfassung des emittierten Lichts ausgebildete Sensor als Infrarotsensor ausgebildet, mit dem der Einfallswinkel korrekt bestimmt werden kann.In one possible exemplary embodiment of the invention, the at least one light source emits light with at least one frequency from the infrared frequency range. Accordingly, the sensor designed to detect the emitted light is designed as an infrared sensor, with which the angle of incidence can be correctly determined.
In einem anderen Ausführungsbeispiel emittiert die zumindest eine Lichtquelle Licht mit zumindest einer Frequenz aus dem optisch sichtbaren Frequenzbereich. Mit anderen Worten wird hier zur Positions- bzw. Orientierungsbestimmung des medizinischen Instruments eine herkömmliche Lichtquelle verwendet. Der zumindest eine Sensor ist dann entsprechend als optischer Sensor ausgeführt.In another exemplary embodiment, the at least one light source emits light with at least one frequency from the optically visible frequency range. In other words, a conventional light source is used here to determine the position or orientation of the medical instrument. The at least one sensor is then designed accordingly as an optical sensor.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind mehrere Lichtquellen vorgesehen, die im Raum an verschiedenen bekannten Positionen angeordnet sind. Die Lichtquellen emittieren Licht mit geringfügig verschiedenen charakteristischen Frequenzverteilungen, insbesondere können die einzelnen Lichtquellen in einem konkreten Ausführungsbeispiel Licht mit Frequenzen aus sich gegenseitig nicht überlappenden Frequenzbereichen emittieren. Die dem Ursprung des einfallenden Lichts entsprechende Lichtquelle kann dann beispielsweise mittels eines geeigneten Filters sensorseitig ausgewählt werden. In jedem Fall emittieren die Lichtquellen Licht mit jeweils paarweise voneinander verschiedenen Frequenzverteilungen, so dass eine Zuordnung des Ursprungs des auf den zumindest einen Sensor einfallenden Lichts mittels einer sensorseitigen Frequenzselektion erfolgen kann. Derartige Ausführungen haben zum Vorteil, dass die zur Positionsermittlung notwendige Anzahl von Sensoren am medizinischen Instrument reduziert werden kann, da die sensorseitige Frequenzselektion eine Ermittlung der Relativposition des Sensors bezüglich verschiedener Lichtquellen ermöglicht. Eine negative Beeinträchtigung der Handhabung des medizinischen Instruments durch die dort angebrachten Sensoren kann daher weiter reduziert werden.In a particularly preferred embodiment, a plurality of light sources are provided, which are arranged in space at different known positions. The light sources emit light with slightly different characteristic frequency distributions; in particular, in a specific exemplary embodiment, the individual light sources can emit light with frequencies from mutually non-overlapping frequency ranges. The light source corresponding to the origin of the incident light can then be selected on the sensor side, for example by means of a suitable filter. In any case, the light sources emit light with frequency distributions that differ from one another in pairs, so that the origin of the light incident on the at least one sensor can be assigned by means of frequency selection on the sensor side. Such designs have the advantage that the number of sensors on the medical instrument required for determining the position can be reduced, since the frequency selection on the sensor side makes it possible to determine the relative position of the sensor with respect to different light sources. A negative impact on the handling of the medical instrument by the sensors fitted there can therefore be further reduced.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung des medizinischen Instruments der eingangs genannten Art mit den weiteren Merkmalen des Patentanspruchs 6.With regard to the device, the object is achieved by a device for determining the position of the medical instrument of the type mentioned at the beginning with the further features of patent claim 6.
Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens ausgebildet, so dass zunächst auf die bisherigen Ausführungen verwiesen wird.According to the invention, the device is designed to carry out the method described above, so that reference is first made to the previous statements.
Die Vorrichtung zur Positionsbestimmung des medizinischen Instruments umfasst die zumindest eine Lichtquelle, welche an einer bekannten Position im Raum angeordnet ist und den zumindest einen lichtempfindlichen Sensor, welcher am medizinischen Instrument befestigt ist. Der zumindest eine Sensor umfasst zumindest zwei lichtempfindliche Sensorelemente, deren Sensorflächen zueinander in einem vorgegebenen Winkel angeordnet sind. Die Lichtquelle kann insbesondere räumlich separat oder an einem medizinischen Gerät, insbesondere an einer einen C-Bogen aufweisenden Röntgeneinrichtung angebracht sein. Die zumindest eine Lichtquelle emittiert Licht, welches unter dem Einfallswinkel auf den Sensor einfällt. Der zumindest eine Sensors ist dazu ausgebildet, eine vom Einfallswinkel abhängige Messgröße zu erfassen. Zur Bestimmung der Lage und/oder Orientierung des medizinischen Instruments ist der Einfallswinkel aus der Messgröße ermittelbar.The device for determining the position of the medical instrument comprises the at least one light source, which is arranged at a known position in space, and the at least one light-sensitive sensor, which is attached to the medical instrument. The at least one sensor comprises at least two light-sensitive sensor elements whose sensor surfaces are arranged at a predetermined angle to one another. The light source can in particular be spatially separate or attached to a medical device, in particular to an X-ray device having a C-arm. The at least one light source emits light which is incident on the sensor at the angle of incidence. The at least one sensor is designed to detect a measurement variable that is dependent on the angle of incidence. The angle of incidence can be determined from the measured variable in order to determine the position and/or orientation of the medical instrument.
Erfindungsgemäß umfasst der zumindest eine Sensor zumindest zwei lichtempfindliche Sensorelemente, beispielsweise Photodioden oder Photowiderstände, die zueinander in einem vorgegebenen Winkel, insbesondere orthogonal zueinander, angeordnet sind. Aus Messgrößen, die von der Intensität des auf das jeweilige Sensorelement auftretenden Lichts abhängen, kann der Einfallswinkel unter Berücksichtigung der Geometrie bestimmt werden. Derartige Messgrößen sind beispielsweise die Stärke eines Photostroms oder der Betrag eines beleuchtungsabhängigen Widerstands. In anderen Ausführungsbeispielen sind photonenzählende Detektoren oder CCD-Sensoren vorgesehen.According to the invention, the at least one sensor comprises at least two light-sensitive sensor elements, for example photodiodes or photoresistors, which are arranged at a predetermined angle to one another, in particular orthogonally to one another. The angle of incidence can be determined from measured variables that depend on the intensity of the light incident on the respective sensor element, taking the geometry into account. Such measured variables are, for example, the strength of a photocurrent or the amount of an illumination-dependent resistance. In other embodiments, photon counting detectors or CCD sensors are provided.
Zur Bestimmung der Position und der Orientierung des medizinischen Instruments im dreidimensionalen Raum umfasst der zumindest eine Sensor in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vier Sensorelemente, deren Sensorflächen paarweise zueinander in einem vorgegebenen Winkel, insbesondere paarweise orthogonal zueinander, angeordnet sind.In order to determine the position and the orientation of the medical instrument in three-dimensional space, the at least one sensor comprises four sensor elements in a preferred exemplary embodiment, the sensor surfaces of which are arranged in pairs at a predetermined angle, in particular pairs orthogonally to one another.
In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der zumindest eine Sensor zur Bestimmung des Einfallswinkels mit drei voneinander beabstandeten lichtempfindlichen Sensorelementen versehen, deren Sensorflächen zueinander in einem Winkel oder in einer Ebene angeordnet sind.In another preferred exemplary embodiment, the at least one sensor for determining the angle of incidence is provided with three spaced-apart light-sensitive sensor elements whose sensor surfaces are arranged at an angle to one another or in one plane.
Plane Ausführungen sind insbesondere in Fällen bevorzugt, in denen ein möglichst großer Messbereich erfasst werden soll, da diese prinzipiell die Erfassung des gesamten oberhalb der Ebene gelegenen Halbraums ermöglichen. Zur Erfassung des Halbraums verlaufen die Sensorflächen der drei lichtempfindlichen Sensorelemente plan in der Ebene, wobei vorzugsweise die drei lichtempfindlichen Sensorelemente zueinander in einem Winkel von 120° angeordnet sind.Flat designs are preferred in particular in cases in which the largest possible measuring range is to be recorded, since in principle they enable the entire half-space located above the plane to be recorded. To detect the half-space, the sensor surfaces of the three light-sensitive sensor elements run flat in the plane, with the three light-sensitive sensor elements preferably being arranged at an angle of 120° to one another.
Sensoren mit ebenen Anordnungen von Sensorelementen sind dahingehend optimiert, eine möglichst große Abdeckung des Messbereichs sicherzustellen. Abhängig von der medizinischen Anwendung kann es jedoch vorkommen, dass die Intensität des auf die einzelnen Sensorelemente einfallenden Lichts nur geringfügig unterschiedlich ist und in Folge dessen der daraus abgeleitete Einfallswinkel mit einer relativ großen Ungenauigkeit behaftet ist. Ein anderes, hinsichtlich der Messgenauigkeit optimiertes Ausführungsbeispiel umfasst einen Sensor, mit zumindest drei voneinander beabstandeten lichtempfindlichen Sensorelementen, die auf einer gemeinsamen Kegelfläche angeordnet sind. Da die Sensorflächen der Sensorelemente nunmehr in einem Winkel zueinander angeordnet sind, der u. a. vom Öffnungswinkel der Kegelfläche bzw. des Kegels abhängt, ist die Abhängigkeit der auf die jeweiligen Sensorelemente auftreffenden Intensitäten vom Einfallswinkel vergrößert. Entsprechend kann der Einfallswinkel mit derartigen Anordnungen präziser ermittelt werden.Sensors with planar arrays of sensor elements are optimized to ensure the largest possible coverage of the measuring range. Depending on the medical application, however, it can happen that the intensity of the light incident on the individual sensor elements differs only slightly and as a result the angle of incidence derived therefrom is associated with a relatively large degree of inaccuracy. Another exemplary embodiment that is optimized in terms of measurement accuracy includes a sensor with at least three light-sensitive sensor elements that are spaced apart from one another and are arranged on a common conical surface. Since the sensor surfaces of the sensor elements are now arranged at an angle to one another, which i.a. depends on the opening angle of the cone surface or of the cone, the dependence of the intensities impinging on the respective sensor elements on the angle of incidence is increased. Accordingly, the angle of incidence can be determined more precisely with such arrangements.
Es versteht sich, dass sich die Größe des Messbereichs und die Messgenauigkeit in einem gegenläufigen Abhängigkeitsverhältnis befinden (trade-off). Bei einer ebenen Anordnung, die zu einem Öffnungswinkel von 180° korrespondiert, ist der Messbereich maximal. Je spitzer der Öffnungswinkel der Kegelfläche, desto größer die Messgenauigkeit und desto kleiner der Messbereich. In besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen beträgt der Öffnungswinkel der Kegelfläche zwischen 60° und 80°.It goes without saying that the size of the measurement range and the measurement accuracy are in an inverse relationship (trade-off). The measuring range is at its maximum in a planar arrangement that corresponds to an opening angle of 180°. The more acute the opening angle of the cone surface, the greater the measuring accuracy and the smaller the measuring range. In particularly preferred exemplary embodiments, the opening angle of the conical surface is between 60° and 80°.
Insbesondere bei Sensoren, deren Sensorelemente auf Kegelflächen angeordnet sind, ist gemäß alternativer Ausführungsbeispiel vorgesehen, die nach innen gerichteten Sensorflächen gekrümmt oder eben auszubilden. Bei Sensoren, die Sensorelemente mit ebenen Sensorflächen aufweisen, sind diese vorzugsweise derart angeordnet, dass deren Mittellängsachsen auf der Kegelfläche verlaufen.According to alternative exemplary embodiments, particularly in the case of sensors whose sensor elements are arranged on conical surfaces, provision is made for the inwardly directed sensor surfaces to be curved or planar. In the case of sensors that have sensor elements with flat sensor surfaces, these are preferably arranged in such a way that their central longitudinal axes run on the conical surface.
Vorzugsweise sind am medizinischen Instrument zumindest zwei lichtempfindliche Sensoren in einem vorgegebenen Abstand angeordnet. Aus dem gegebenen Abstand und den zumindest zwei von den jeweiligen Sensoren erfassten Einfallswinkeln lassen sich dann die Lage und die Orientierung des medizinischen Instruments in der Ebene bestimmen, die von der zumindest einen Lichtquelle und den zumindest zwei Sensoren definiert wird.At least two light-sensitive sensors are preferably arranged at a predetermined distance on the medical instrument. The position and orientation of the medical instrument in the plane defined by the at least one light source and the at least two sensors can then be determined from the given distance and the at least two angles of incidence detected by the respective sensors.
In Weiterbildung der Erfindung sind am medizinischen Instrument drei voneinander beabstandete lichtempfindliche Sensoren in einer von einer kollinearen Konfiguration abweichenden Anordnung vorgesehen. Derartige Ausführungen ermöglichen die eindeutige Lagebestimmung von im Raum frei beweglichen medizinischen Instrumenten.In a development of the invention, three spaced-apart light-sensitive sensors are provided on the medical instrument in an arrangement that deviates from a collinear configuration. Such designs enable the unambiguous determination of the position of medical instruments that can move freely in space.
Besonders bevorzugt sind zur Positionsbestimmung des medizinischen Instruments vier Sensoren vorgesehen, die in Sensorpaaren angeordnet sind. Jedes Sensorpaar ist in einer linearen Anordnung vorgesehen, wobei ein erstes Sensorpaar bezüglich eines zweiten Sensorpaars in einer orthogonalen Konfiguration angeordnet ist.Four sensors, which are arranged in pairs of sensors, are particularly preferably provided for determining the position of the medical instrument. Each pair of sensors is provided in a linear array, with a first pair of sensors being arranged in an orthogonal configuration with respect to a second pair of sensors.
Vorzugsweise sind mehrere Lichtquellen an verschiedenen bekannten Positionen angeordnet, die Licht mit jeweils paarweise voneinander verschiedenen Frequenzverteilungen emittieren. Der zumindest eine Sensor weist Mittel zur Frequenzselektion, wie beispielsweise entsprechende Filter, auf, so dass die dem Ursprung des auf den zumindest einen Sensor einfallenden Lichts entsprechende Lichtquelle sensorseitig zuordbar ist. Die sensorseitige Frequenzselektion ermöglicht eine Lagebestimmung des zumindest einen Sensors bezüglich Einfallswinkeln, die zu den Positionen der verschiedenen Lichtquellen korrespondieren. Die Anzahl der am medizinischen Instrument vorgesehenen Sensoren kann somit verringert werden, da ein derartig ausgebildeter Sensor die Erfassung von mehreren unabhängigen und zur Positionsbestimmung geeigneten Parametern ermöglicht.A plurality of light sources are preferably arranged at different known positions, which emit light with pairs of different frequency distributions. The at least one sensor has means for frequency selection, such as corresponding filters, so that the light source corresponding to the origin of the light incident on the at least one sensor can be assigned by the sensor. The frequency selection on the sensor side enables the position of the at least one sensor to be determined with respect to angles of incidence that correspond to the positions of the various light sources. The number of sensors provided on the medical instrument can thus be reduced, since a sensor designed in this way enables several independent parameters suitable for position determination to be recorded.
Vorzugsweise sind die lichtempfindlichen Sensoren zur Erfassung der Einfallswinkel am medizinischen Instrument vorgesehen und die Lichtquellen an bekannten Positionen im Raum angeordnet. Es ist jedoch selbstverständlich, dass eine entsprechend invertierte Anordnung, bei der die Lichtquellen und die Sensoren hinsichtlich ihrer räumlichen Anordnung vertauscht sind, gleichfalls dazu geeignet ist, die Position des medizinischen Instrumentes zu bestimmen. Lediglich der Einfachheit halber werden Ausführungsbeispiele mit einer bestimmten Anzahl von Lichtquellen und Sensoren konkret beschrieben, bei denen die Sensoren stets am medizinischen Instrument und die Lichtquellen im Raum vorgesehen sind. Die jeweils dazu korrespondierende invertierte Ausführung umfasst entsprechend Vorrichtungen bei denen die Lichtquellen instrumentenseitig und die Sensoren an den bekannten Positionen im Raum angeordnet sind.The light-sensitive sensors for detecting the angle of incidence are preferably provided on the medical instrument and the light sources are arranged at known positions in space. However, it goes without saying that a correspondingly inverted arrangement, in which the light sources and the sensors are swapped in terms of their spatial arrangement, is also suitable for determining the position of the medical instrument. For the sake of simplicity, exemplary embodiments with a certain number of light sources and sensors are specifically described, in which the sensors are always provided on the medical instrument and the light sources in the room. The corresponding inverted version includes corresponding devices in which the light sources are arranged on the instrument side and the sensors are arranged at the known positions in space.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigt in einer schematischen Prinzipskizze:
-
1 ein Sensor zur Erfassung eines Einfallswinkels in einer Schnittdarstellung; -
2 eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung, umfassend eine Lichtquelle und ein medizinischen Instrument mit zwei Sensoren in einer schematischen Darstellung; -
3 ein medizinisches Instrument mit zwei Sensorpaaren in einer orthogonalen Konfiguration in einer schematischen Draufsicht, -
4 eine weitere Vorrichtung zur Positionsbestimmung, bei der der Sensor Mittel zur Frequenzselektion aufweist und mehrere Lichtquellen vorgesehen sind, die Licht unterschiedlicher Frequenzen emittieren, -
5 ein plan ausgeführter Sensor zur Erfassung des Einfallswinkels im dreidimensionalem Raum in einer Draufsicht, -
6 ein weiterer Sensor zur Erfassung des Einfallswinkels im dreidimensionalen Raum, dessen Sensorelemente auf einer Kegelfläche angeordnet sind, in einer perspektivischen Darstellung.
-
1 a sensor for detecting an incident angle in a sectional view; -
2 a device for position determination, comprising a light source and a medical instrument with two sensors in a schematic representation; -
3 a medical instrument with two pairs of sensors in an orthogonal configuration in a schematic plan view, -
4 a further device for position determination, in which the sensor has means for frequency selection and several light sources are provided which emit light of different frequencies, -
5 a planar sensor for detecting the angle of incidence in three-dimensional space in a plan view, -
6 another sensor for detecting the angle of incidence in three-dimensional space, the sensor elements of which are arranged on a cone surface, in a perspective view.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.
Fällt Licht L in Richtung des Einfallswinkels α auf den Sensor 1 ein, so erzeugen die Photodioden elektrische Ströme, deren Stromstärken von der auf die jeweilige Photodiode 2 einwirkenden Strahlungsintensität abhängen. Aus dem Verhältnis der beiden Stromstärken ist daher der Einfallswinkel α des einfallenden Lichts L ermittelbar.If light L strikes the
In einem anderen Ausführungsbeispiel ist zur Ermittlung des Einfallswinkels α ein beleuchtungsabhängiger Widerstand als Messgröße erfassbar.In another exemplary embodiment, an illumination-dependent resistance can be recorded as a measured variable to determine the angle of incidence α.
Mittels dem in
Zur vollständigen Bestimmung von Einfallswinkeln α im dreidimensionalen Raum sind in einem anderen möglichen Ausführungsbeispiel Sensoren 1 vorgesehen, die vier Photodioden 2 umfassen. Jeweils zwei der Photodioden 2 sind zueinander, wie in
Die Lichtquelle 1 emittiert Licht L, das auf die jeweiligen Sensoren 1 im Einfallswinkel α1, α2 auftrifft. Aus den gemessenen Einfallswinkeln α1, α2 und dem bekannten Abstand Δz der beiden Sensoren 1 relativ zueinander lässt sich die Position und die Orientierung des medizinischen Instruments 4 in der gezeigten Ebene eindeutig bestimmen. Mit anderen Worten ist die Koordinatentransformation vom ortsfesten Koordinatensystem zu dem instrumentenfesten Koordinatensystem in der Ebene durch die Werte für die Einfallswinkel α1, α2 und dem Abstand Δz bestimmt. Die erste Achse X' und die zweite Achse Y' des instrumentenfesten Koordinatensystems sind in
Ein derartiger Sensor 1 ist dazu ausgebildet, den gesamten oberhalb der Zeichenebene befindlichen Halbraum zu erfassen.Such a
Bei einer derartigen Anordnung weist die von den jeweiligen Sensorelementen 2 erfasste Intensität des einfallenden Licht L eine starke Abhängigkeit vom Einfallswinkel α auf. Der Einfallswinkel α lässt sich daher mit einem solchen Sensor 1 besonders präzise erfassen.In such an arrangement, the intensity of the incident light L detected by the
Ein Öffnungswinkel δ der Kegelfläche 11 bestimmt dabei die relative Ausrichtung der Sensorflächen 3 zueinander, der in dem gezeigten Beispiel etwa 65° beträgt. Bezüglich einer weiteren, die Oberfläche des Sensors 1 bestimmenden Fläche 12 sind die Sensorelemente 2 zueinander im Winkel γ angeordnet, der in dem gezeigten Beispiel etwa 120° beträgt.An opening angle δ of the
Es versteht sich, dass insbesondere die in
Bei einem Verfahren zur Positionsbestimmung des medizinischen Instruments 4 wird die vom Einfallswinkel α abhängige Messgröße mittels zumindest eines am medizinischen Instrument 4 vorgesehenen lichtempfindlichen Sensors 1 erfasst. Zur zumindest teilweisen Bestimmung der Lage und/oder der Orientierung des medizinischen Instruments 4 wird der Einfallswinkel α aus dem gemessenen Wert abgeleitet. Gemäß verschiedenen Anwendungsbeispielen können gegebenenfalls mehrere Sensoren 1 bzw. mehrere Lichtquellen 5 vorgesehen sein, um eine hinreichende Bestimmung der Position und/oder Orientierung des medizinischen Instruments 4 sicherzustellen.In a method for determining the position of the
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.Although the invention has been illustrated and described in detail by the preferred embodiment, the invention is not limited by the disclosed examples and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Sensorsensor
- 22
- Sensorelementsensor element
- 33
- Sensorflächesensor surface
- 44
- Instrumentinstrument
- 55
- Lichtquellelight source
- 66
- Erstes SensorpaarFirst pair of sensors
- 77
- Zweites SensorpaarSecond pair of sensors
- 88th
- Filterfilter
- 99
- Erste LichtquelleFirst light source
- 1010
- Zweite LichtquelleSecond light source
- 1111
- Kegelflächeconical surface
- 1212
- Fläche Surface
- LL
- LichtLight
- α, α1, α2, α3, a4α, α1, α2, α3, a4
- Einfallswinkelangle of incidence
- β, γβ, γ
- Winkelangle
- δδ
- Öffnungswinkelopening angle
- Δz, Δz'Δz, Δz'
- AbstandDistance
- X, X'X, X'
- Erste AchseFirst axis
- Y, Y'Y, Y'
- Zweite Achsesecond axis
Claims (14)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015201460.6A DE102015201460B4 (en) | 2015-01-28 | 2015-01-28 | Position determination of a medical instrument |
PCT/EP2015/080399 WO2016119976A1 (en) | 2015-01-28 | 2015-12-18 | Determining the position of a medical instrument |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102015201460.6A DE102015201460B4 (en) | 2015-01-28 | 2015-01-28 | Position determination of a medical instrument |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102015201460A1 DE102015201460A1 (en) | 2016-07-28 |
DE102015201460B4 true DE102015201460B4 (en) | 2023-05-17 |
Family
ID=55077485
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102015201460.6A Active DE102015201460B4 (en) | 2015-01-28 | 2015-01-28 | Position determination of a medical instrument |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102015201460B4 (en) |
WO (1) | WO2016119976A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110327047B (en) * | 2019-08-08 | 2024-03-26 | 江苏省人民医院(南京医科大学第一附属医院) | Movable infrared joint movement angle measuring instrument |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19825221A1 (en) | 1997-06-06 | 1998-12-10 | Image Guided Technologies Inc | Position determining device using fibre=optics measuring device |
WO2008119766A1 (en) | 2007-03-30 | 2008-10-09 | Siemens Aktiengesellschaft | Ambient light sensor |
DE112011103016T5 (en) | 2010-09-10 | 2013-06-27 | Denso Corporation | Optical sensor |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4753569A (en) * | 1982-12-28 | 1988-06-28 | Diffracto, Ltd. | Robot calibration |
JP4636696B2 (en) * | 1999-04-20 | 2011-02-23 | アーオー テクノロジー アクチエンゲゼルシャフト | Device for percutaneous acquisition of 3D coordinates on the surface of a human or animal organ |
DE102011011360A1 (en) * | 2011-02-16 | 2012-08-16 | Steinbichler Optotechnik Gmbh | Apparatus and method for determining the 3-D coordinates of an object and for calibrating an industrial robot |
US9008757B2 (en) * | 2012-09-26 | 2015-04-14 | Stryker Corporation | Navigation system including optical and non-optical sensors |
-
2015
- 2015-01-28 DE DE102015201460.6A patent/DE102015201460B4/en active Active
- 2015-12-18 WO PCT/EP2015/080399 patent/WO2016119976A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19825221A1 (en) | 1997-06-06 | 1998-12-10 | Image Guided Technologies Inc | Position determining device using fibre=optics measuring device |
WO2008119766A1 (en) | 2007-03-30 | 2008-10-09 | Siemens Aktiengesellschaft | Ambient light sensor |
DE112011103016T5 (en) | 2010-09-10 | 2013-06-27 | Denso Corporation | Optical sensor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102015201460A1 (en) | 2016-07-28 |
WO2016119976A1 (en) | 2016-08-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1645241B1 (en) | Position marker system with point light sources | |
DE102013109843A1 (en) | Method and device for correcting computed tomography measurements with a coordinate measuring machine | |
WO2016005571A1 (en) | Determining the position of an object in the beam path of an optical device | |
DE102012214387B4 (en) | X-ray detector and method for operating an X-ray detector | |
DE102004060609A1 (en) | Method for measuring the momentum transfer spectrum of elastically scattered x-ray quanta | |
DE102015201460B4 (en) | Position determination of a medical instrument | |
DE102010038062B4 (en) | Location determination and determination of the displacement of places by non-contact distance measurement in a material test | |
EP2808669B1 (en) | Device for measuring scattered light from a measurement volume with compensation for background signals | |
DE102015103373A1 (en) | Measuring element for a coordinate measuring machine | |
DE102013208091A1 (en) | Apparatus and method for measuring a surface topography | |
DE102013103252B4 (en) | Increase measurement accuracy when measuring with light section sensors by simultaneously calibrating and reducing speckles | |
EP3649448A1 (en) | Method for counting photons by means of a photomultiplier | |
DE102004060610A1 (en) | Arrangement for measuring the pulse transmission spectrum of elastically scattered X-ray quanta and methods for determining this pulse transmission spectrum | |
DE102005003690A1 (en) | Surface`s optical characteristic e.g. color, testing device for e.g. furniture, has control unit compensating change of signals caused by change of position, in which reflected radiation impinges on detection area | |
DE102007032249C5 (en) | Tasting light grid | |
DE102013103897A1 (en) | Camera module for line-wise scanning of object e.g. non-cuboid object, has line sensors that are arranged at different distances from lens so that image lines are imaged at different distances from lens on respective line sensors | |
DE102007045798B4 (en) | Arrangement and method for recording X-ray scattering images | |
AT510605B1 (en) | DEVICE AND METHOD FOR THE OPTICAL MEASUREMENT OF AT LEAST ONE DIMENSION OF AN OBJECT BY MEANS OF POINT-LIKE, DIVERTED LIGHT SOURCES | |
DE102010027296B4 (en) | patient support | |
DE102020129792B4 (en) | Computer-implemented method for determining a value of a geometric parameter | |
DE102012101302B4 (en) | Confocal microscopic 3D light-section sensor | |
DE102013103251B4 (en) | Increase the accuracy of a measurement with light-section sensors by simultaneously calibrating and avoiding speckles | |
DE102017107963A1 (en) | Backscatter sensor for liquid, pasty and / or powdery media and method for measuring optical backscatter in liquid, pasty and / or powdery media | |
DE102010006011A1 (en) | Device and method for non-contact measurement of a distance and / or a profile | |
DE10051162A1 (en) | Radiation detector with scintillator/photodiode array has detector elements on edge of array with scintillators whose dimension transverse to edge exceeds that required to detect detection area |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: A61B0019000000 Ipc: A61B0034200000 |
|
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SIEMENS HEALTHINEERS AG, DE Free format text: FORMER OWNER: SIEMENS HEALTHCARE GMBH, MUENCHEN, DE |